基于ITIAS的課堂教學視頻分析軟件設計與實現

李白樺 張曉藝

摘? 要： 課堂教學行為研究是教學研究中的重要內容，而課堂教學視頻分析是進行課堂教學行為研究的有效方法之一。本文從教學研究的實際需要出發，設計并開發了一款課堂教學視頻分析軟件，該軟件基于ITIAS（基于信息技術的互動分析編碼系統），對課堂教學視頻進行定量的、高效的觀察和統計，從而實現對課堂教學行為的可量化數據分析，促進分析的實證化和規范化。全文從該軟件設計與開發的關聯背景、需求及架構、功能模塊、核心技術實現、總結及展望五個方面展開介紹。

關鍵詞： 課堂教學視頻;教學行為分析;ITIAS

中圖分類號： TP391. 77? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.010

【Abstract】： Research into classroom teaching behavior constitutes an important part of teaching research， and analysis of classroom teaching is one of efficient methods for classroom teaching behavior research. Proceeding from practical needs of teaching research， this paper designs and develops a classroom teaching video analysis software. Based on the ITIAS （Information-Technology-Based Interaction Analysis System）， this software can conduct qualitative and efficient observation and statistics of classroom teaching videos， thus realizing quantitative data analysis of classroom teaching behaviors and promote empirical and standard analysis. To sum up， this paper discusses in five parts， including software design and development background and demand， realization of functional modules and core technologies， summary and future prospects.

【Key words】： Classroom teaching video; Teaching behavior analysis; ITIAS

0? 引言

課堂教學是當前基礎教育的主要活動[1]，而教師的課堂教學行為作為課堂教學活動的實體部分和最主要的外顯行為，是課堂教學得以推進的落腳點，影響并決定著教學質量，因此教學行為研究一直是教育教學研究者關注的重點[2]，國內外學者都就此展開相關研究并取得了豐富的成果。隨著對教學行為研究的深入，國內的研究方法逐步科學嚴謹，量化和實證成為熱點。在教學行為的量化研究中，基于編碼系統的教學視頻分析是一種行之有效并被普遍接受的研究方法[3]。通過現場錄制或遠程控制等方式對教學過程進行實錄，獲取教學視頻，然后依據教學行為編碼系統對教學視頻進行數據統計和分析，形成對教學行為的分析和診斷。

基于編碼系統的教學視頻分析過程是一項較為繁瑣的工作，會有大量的記錄和計算并產生大量的數據，需要花費一定的時間和精力。針對這些問題，教育研究和實踐者們相繼開發了教學視頻分析軟件，以實現統計自動化，減少工作量[4-5]。但目前現有的教學視頻分析軟件并不能完全滿足實踐需求，存在以下問題：一是收費，當今市場上比較成熟使用最廣泛的分析軟件是Nvivo，它可以整理、分析和找到非結構化或定性數據，但是需要承擔一定的經濟費用;二是操作復雜，需要使用者具有較高的專業知識水平和信息素養;三是效率相對不高，有些軟件雖然具有較好的通用性，但正是由于集成了過多的功能導致專項統計效率不高[6]。基于上述背景，本文從教學研究的實際需要出發，設計并實現了一款課堂教學視頻分析軟件，該軟件基于ITIAS（基于信息技術的互動分析編碼系統），對課堂教學視頻進行定量的高效的觀察和統計，從而實現對課堂教學行為的可量化數據分析，促進分析的實證化和規范化。

1? ITIAS簡介

教學視頻的量化分析需要運用視頻編碼分析系

統，弗蘭德斯互動分析系統（Flanders Interaction Analysis System，FIAS）無疑是其中最具有影響力的，該系統是美國學者弗蘭德斯于上世紀60年代提出的一種課堂行為分析技術。這種技術采用中立和客觀的觀察態度、特定的編碼系統、每三秒記載一次的記錄方式，對課堂教學中師生語言互動具體十個行為進行編碼和統計分析，具有強烈的結構化和定量化的特點，表現出對課堂教學細節進行分析的技術性功能[7]。

隨著社會的發展，課堂的信息化程度越來越高，信息技術與課堂教學深度融合，FIAS顯然不具備評價信息技術運用的能力。針對這一點，華東師范大學顧小清教授、王煒對FIAS加以改進，提出了基于信息技術的互動分析編碼系統（Information Tec hnology-based Interaction Analysis System，ITIAS）。ITIAS細化了課堂教學中的有效語言，增加學生行為評價要素，最為突出的是，增加了技術語言要素。改進后的ITIAS在基礎教育課堂中得以實踐驗證[8]。

ITIAS由三部分構成：描述教學行為的編碼系統、觀察和記錄編碼的準則、用于顯示和分析數據的矩陣表格。其核心是編碼系統，如表1所示。

進行編碼操作時，對教學視頻樣本每3秒取樣一次，根據編碼系統規定的標準給每個課堂活動賦予一個編碼，按照時間順序依次記錄，形成課堂行為觀察表。在觀察表的基礎上建立數據矩陣，通過矩陣表中各行為頻次間的比例關系以及它們在矩陣中的分布情況[9]對課堂教學行為做出分析。

2? 分析與設計

2.1? 需求分析

軟件需要實現視頻處理與數據分析兩大功能。

2.1.1? 視頻處理

視頻處理是對課堂教學視頻進行分析的基礎。為了使編碼時間更加精準，需要一個可以播放課堂視頻的組件，該組件包含最基本的視頻播放功能，且每間隔3秒自動暫停，方便研究人員觀察并錄入編碼。觀察視頻時需要顯示編碼錄入頁面，提供ITIAS中定義的18種教學行為，操作者對視頻仔細觀察判斷后只需選擇編碼即可，為避免誤操作，需提供返回及清除功能。

2.1.2? 數據分析

軟件需要實現大量數據的統計與分析并可視化呈現，分為四部分功能：數據統計、數對生成、數對統計、數據分析可視化。用戶錄入教學視頻的行為編碼后，即可實時獲得數據的統計與分析結果，包括：數對、矩陣分析表、課堂比率分析數據圖、比值信息、時間線統計結果。

2.2? 架構設計

結合目前開發語言的優缺點，選用Java語言作為數據分析及程序圖形界面的開發語言，將視頻掛載在靜態HTML頁上利用HTML5的新特性及JavaScript語言來處理視頻，軟件的總體架構設計如圖1所示。

3? 主要功能實現

3.1? 交互界面

交互界面的繪制由Java中的一個GUI工具包——Swing來實現。如圖2所示，交互界面大體可以分為三個區域：左上角為導航欄區，可跳轉至原始數據、編碼矩陣、統計結果和分析結果四個頁面。主界面所顯示內容即為原始數據選項卡的內容。右上角藍字區域為編碼標準區，將ITIAS中的18個標準以按鈕的形式呈現;下面表格區域為數據采集及顯示區，用以顯示已經采集的編碼數據。

打開軟件后，輸入視頻時長即實時生成圖2所示交互界面。視頻每3秒自動暫停，仔細觀察后在編碼標準區進行選擇，此時原始數據制表區與編碼數對制表區自動生成并顯示原始數據與數對，同時統計結果制表區將每一組數對的坐標與之對應并進行統計顯示，最終在統計結果制表區匯總呈現。同時，分析結果通過課堂比率分析數據統計圖、比值信息、時間線分析統計圖三種可視化行為方式呈現。

3.2? 數據處理功能

錄入數據后，原始數據只包含了教學采集時間點、教學行為及參與者這三種基本信息，必須基于數據源進行分類與整理，才能一步進行數據分析。點擊“編碼矩陣”選項卡，生成如圖3所示編碼矩陣。點擊“統計結果”選項卡，生成如圖4所示統計結果。該頁面將數據以不同顏色分類，其中紅色區域為缺陷區，黃色區域為積極整合區，綠色文字為穩態格。

3.3? 數據可視化呈現

為了使統計結果對問題的描述更加清晰直觀，軟件在ITIAS分析標準的基礎上進行分析、計算和比對，在“分析結果”中加入了 “課堂比率分析圖”、“課堂比值信息圖”、“時間線分析圖”三種可視化分析圖。研究者可以通過可視化分析圖快速便捷的分析出課堂類型及風格，直接給出分析結果，同時只需將分析圖保存即可。

3.3.1? 課堂比率分析圖

ITIAS將課堂教學行為分為四大類：教師語言、學生語言、沉默和技術應用。軟件基于前期編碼數據，依據表2所示公式，計算并生成課堂比率分析數據圖，選用餅狀圖直觀的展現這四類教學行為在課堂中所占百分比。其頁面呈現效果如圖5所示。

3.3.2? 課堂比值信息圖

3.3.3? 時間線分析圖

相比課堂比率圖和比值信息圖，時間線分析圖呈現的分析結果更為直觀具體，可以表達課堂教學整體效果。時間線分析法以時間軸為橫坐標，以編碼標準為縱坐標，標記整節課中的所有教學行為，以坐標點的方式統計，最終以數據線的方式呈現，如圖7所示。

圖7中縱坐標的上面6行代表較開放的教學行為和間接教學風格，教師在課堂教學中使用這些行為可以引導學生主動表達自己的想法，體現 “學生主體，教師主導”的教學理念。而縱坐標下面2行代表的教學行為剛好相反，它們屬于直接教學風格，教師會限制學生表達自己的想法，屬于較為強勢的教學過程，一般代表模式為“教師講授，學生接受”。

4? 軟件測試

為了驗證軟件的準確性和可靠性，在測試和試用階段，采用了兩種驗證方式。一是與公開發表的數據進行比對。在陜西師范大學馮亮的碩士學位論文《陜西省高中教師信息化教學能力個案研究》[10]中，公布了教學實錄《指數函數的圖像與性質》一課的ITIAS系統分析數據，筆者找到該課教學視頻并利用本軟件進行數據分析，與上述論文中的數據比對，最終結果大體一致。經分析，由于在編碼時對于一些相近選項的標準存在主觀認識上的分歧，導致最終的統計結果出現微小差異，但總體來看分析結果整體一致。第二種驗證方式是實踐應用驗證，選取8節不同課堂實錄進行了數據采集與分析，其分析結果與課堂中師生之間呈現的教學關系基本相符，能夠客觀的展示教師在課堂的教學狀態。

5? 結論

本文從教學研究的實際需要出發，設計并開發了一款簡單易用、快捷且免費的應用軟件——基于ITIAS的課堂教學視頻分析軟件。該軟件可以幫助教育教學研究者和實踐者客觀的描述課堂教學行為的特征，高效準確的分析其優點與不足，促進教師專業化發展。

目前本軟件只提供單機版本，未來可升級為Web和App版本，支持從本地或網絡兩種途徑上傳視頻。此外，可以增加視頻慢放功能，避免操作者在觀察視頻和標注編碼時手忙腳亂。最后，軟件應進一步實現將多個教學視頻進行比對分析的功能，改變當前分析結構的單一化。

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